Возникновение структурной химии
К шестидесятым годам прошлого столетия в органической химии накопился огромный фактический материал, который требовал объяснения. На фоне беспрерывного накопления экспериментальных фактов особенно остро проявлялась недостаточность теоретических представлений органической химии. Теория отставала от практики, от эксперимента. Такое отставание болезненно отражалось на ходе экспериментальных исследований в лабораториях; химики проводили свои исследования в значительной мере наугад. Так, например, англичанин В. Перкин., синтезировавший в 1856 г. краситель мовеин окислением нечистого анилина, совершенно не представлял себе механизма открытой им реакции; к тому же он вовсе не ставил перед собой задачу синтеза красителя, а пытался получить хинин. Органическая химия напоминала дремучий лес, полный чудесных вещей, огромную чащу без выхода, без конца.
Вполне закономерно развитие химии и соответственно дальнейшая разработка философских проблем химии привели к исследованию структуры, т.е. способа взаимодействия элементов вещества, поскольку свойства веществ, их качественное разнообразие обусловливаются не только составом, но и структурой молекул.
В первой половине XIX века зародилась принципиально новая концепция химии – структурная химия, исходящая из предпосылки о том, что свойства вещества определяются не только его составом, но и структурой. Самые первые структурные представления возникают вместе с атомистикой Дальтона. Развивая представления о способах объединения "простых атомов" в "сложные атомы", Дальтон преследовал лишь одну цель – создать теорию для объяснения эмпирически открытых стехиометрических законов. Тем не менее, сами избранные Дальтоном символы химических элементов предполагали при изображении сложных атомов выбор определённого порядка соединения атомов между собой. Более конкретные представления о структуре молекул содержатся в теории Й. Берцелиуса (1779-1848), согласно которой структура молекулы возникает благодаря взаимодействию разноименно заряженных атомов или атомных групп.
Возникновение структурной химии следует, видимо, связывать с открытием явления изомерии. В 1825 г. Иоганн Юстус фон Либих обнаружил, что элементный состав гремучей (фульминовой) кислоты в точности соответствует составу циановой кислоты, которую за год до этого получил Фридрих Вёлер. Берцелиус предложил для обнаруженного явления термин "изомерия". Вскоре обнаружилось, что это явление чрезвычайно распространено в органической химии. В состав органических веществ входит относительно небольшое число элементов – углерод, водород, азот, кислород, сера и фосфор (т.н. элементы-органогены) – при огромном разнообразии свойств. Именно поэтому на протяжении почти всего XIX века структурные представления оказались востребованы, прежде всего, в органической химии.
В основу решения вопроса о строении органических веществ было положено представления Берцелиуса о радикалах – полярных группах атомов (не содержащих кислорода), способных переходить из одних веществ в другие без изменения. Еще в 1810-1811 гг. Жозеф Луи Гей-Люссак и Луи Жак Тенар показали, что цианидный радикал CN ведёт себя как единичный атом (причём весьма сходный с атомом хлора или брома). Представления о радикалах, хорошо согласующиеся с электрохимической теорией Берцелиуса, позволили распространить эту теорию и на органические вещества.
Создание теорий структурной химии
Теория сложных радикалов быстро получила практически всеобщее признание. Количество описанных радикалов быстро возрастало. Теория сложных радикалов исходила из предположения, что радикалы способны к самостоятельному существованию, хотя химикам и не удавалось их выделить.
Французские химики Шарль Фредерик Жерар и Огюст Лоран разработали новую теорию типов. Суть теории можно свести к следующему:
1. Молекула представляет собой не двойное или тройное тело – совокупность атомов либо радикалов, способных к самостоятельному существованию, но принципиально новую единую систему.
2. Вновь образованное химическое соединение следует рассматривать как полную утрату прежних свойств составившими его элементами.
3. Химическую способность атомов или групп атомов (радикалов) в молекуле можно охарактеризовать с помощью понятия функции, зависящей как от природы атома или группы атомов, так и от природы и количества других атомов (групп атомов).
Согласно новой теории типов, "органические соединения могут быть сведены к трём или четырём типам; каждый из них способен давать <гомологические> ряды…; этими типами являются вода Н2О, водород Н2, хлористый водород HCl и аммиак NН3. Обменивая свой водород на определённые группы, эти типы дают начало кислотам, спиртам, эфирам, гидридам, органическим хлоридам, кетонам, щелочам". Ниже приведены формулы Жерара-Лорана для основных типов:
Новая теория типов завоевала в 1850-е годы широкое признание; она позволила систематизировать органические соединения, список которых очень быстро увеличивался и, что особенно важно, привела к открытию многих новых соединений. Тем не менее, новая теория типов также не могла полностью удовлетворить химиков. Новая теория типов по-прежнему обходила стороной вопрос о молекулярной структуре. Следующим этапом развития структурной химии стала теория валентности.
Решающую роль в создании теории валентности сыграл Фридрих Август Кекуле.
Ф. Кекуле (1829-1896) предпринял попытку раскрыть структуры молекулы и синтезировать новые вещества. Он связал структуру с понятием валентности и элемента или числа единиц его сродства. На этой основе и возникли структурные формулы органической химии. Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений в зависимости от исходных реагентов, т.е. управлять процессом синтеза различных веществ с заданными свойствами.
В 1860-1880 гг. появился термин «органический синтез». В это время были синтезированы на основе простейших углеводородов анилиновые красители. Затем были получены новые вещества (лекарственные препараты, взрывчатые вещества и т.д.).
Следующая ступень эволюции понятия химической структуры связана с теорией химического строения А.М. Бутлерова (1828-1886).
В 1857 г. Кекуле в своей статье по-новому раскрыл теоретический смысл трёх основных типов Жерара – водорода, воды и аммиака:
"Число атомов одного элемента, связанных с одним атомом другого, зависит от основности или величины сродства. Элементы в этом отношении распадаются на три главные группы:
1. Одноосновные или одноатомные (I), например H, Cl, Br, K.
2. Двухосновные или двухатомные (II), например O, S.
3. Трёхосновные или трёхатомные (III), например N, P, As.
Отсюда вытекают три главных типа соединений: I + I, II + 2 I, III + 3 I, или же в виде простейших своих представителей HH, OH2, NH3".
Здесь же Кекуле показал, что углерод является четырёхосновным (четырёхатомным) элементом, и его простейшим соединением является СН4 – отсюда и введённый им тип метана. Теория Кекуле с необыкновенной лёгкостью и простотой объясняли строение и сложных радикалов, и соединений в целом. Молекула любого химического соединения рассматривалась в этих теориях как целостное образование, которое складывается из атомов за счёт полного взаимного насыщения единиц сродства.
Однако уже три года спустя, в сентябре 1861 г. русский химик Александр Михайлович Бутлеров внёс в теорию валентности важнейшие дополнения. Основные положения его теории Бутлеров:
1) "Полагая, что каждому химическому атому свойственно лишь определённое и ограниченное количество химической силы (сродства), с которой он принимает участие в образовании тела, я назвал бы химическим строением эту химическую связь, или способ взаимного соединения атомов в сложном теле";
2) "... Химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частей, количеством их и химическим строением".
Бутлеров был убеждён, что структурные формулы не могут быть просто условным изображением молекул, а должны отражать их реальное строение. Он подчёркивал, что каждая молекула имеет вполне определённую структуру и не может совмещать несколько таких структур.
Теория химического строения Бутлерова, в основе которой лежит теория валентности, позволила дать объяснение многим экспериментальным фактам, касавшимся изомерии органических соединений и их реакционной способности. Огромным достоинством теории химического строения явилась возможность наглядного изображения молекулы.
Таким образом, А. М. Бутлеров первый установил, что каждая молекула имеет определенное химическое строение, что строение определяет свойства вещества и что, изучая химические превращения вещества, можно установить его строение.
С возникновением теории химического строения органическая химия вышла из лабиринта типических формул; были показаны пути к познанию внутреннего строения молекул; появилась теоретическая основа для понимания химических процессов, для предсказания новых путей синтеза органических соединений. С самого момента своего возникновения теория химического строения дала возможность химикам проводить экспериментальные исследования направленно, целеустремленно.
Весьма важным для развития системы структурных формул стало установление строения молекулы бензола и, как следствие, огромного числа ароматических соединений. Замкнутое кольцо из шести атомов углерода, связанных попеременно одной или двумя валентностями предложил в 1865 г. Кекуле. Впрочем, попытки предложить формулу, объясняющую равноценность всех атомов углерода в молекуле бензола продолжались ещё долгое время.
По современным представлениям, структура молекул – это пространственная и энергетическая упорядоченность квантово-механической системы, состоящей из атомных ядер и электронов.
Проблемы структурной неорганической химии – это, по существу, проблемы химии твердого тела. Это поиск путей синтеза кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокой механической прочностью, термической стойкостью и долговечностью; получение кристаллов, содержащих запроектированные дефекты решетки, на основе которых могут быть созданы материалы с заданными электрофизическими и оптическими свойствами.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему